單山和雙山風場特性的風洞試驗

沈國輝, 姚　旦, 余世策, 樓文娟,邢月龍, 潘　峰

(1. 浙江大學 建筑工程學院,浙江 杭州 310058; 2. 杭州市建筑設計研究院有限公司,浙江 杭州 310000;3. 浙江省電力設計院,浙江 杭州 310007)

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單山和雙山風場特性的風洞試驗

沈國輝1, 姚旦2, 余世策1, 樓文娟1,邢月龍3, 潘峰3

(1. 浙江大學 建筑工程學院,浙江 杭州 310058; 2. 杭州市建筑設計研究院有限公司,浙江 杭州 310000;3. 浙江省電力設計院,浙江 杭州 310007)

摘要:為獲得單山和雙山情況下三維山體的風場特性,研制風洞中用于同步測試多點風速的試驗裝置和支撐構架,進行不同坡度下單個山體風場的測試,進行2個山體在前后和左右排列情況的測試,并分析山體距離和坡度的影響.研究表明：單山情況下山體橫風切面的加速效應大于順風切面,橫風切面3/4山體高度至山頂為風速增大的最不利位置.在前后緊密排列情況下,前山的風速與單山情況比較接近,后山的風速小于單山情況.在左右排列情況下,山頂?shù)募铀傩源笥趩紊角闆r,峽谷側山體的加速比大于單山情況.

關鍵詞：風洞試驗；平均風速；風場測試；三維山體；五孔探頭

山地地形風場不同于平坦地形風場,起伏的地形會顯著改變風場在水平和垂直方向的分布,形成越山風和峽谷風等.各國規(guī)范[1-5]均給出了山地風場的修正方法,通過引入風速(風壓)修正系數(shù)來實現(xiàn),如中國GB規(guī)范[1]對風壓高度變化系數(shù)進行修正.但許多國家的規(guī)范[1-4]給出的修正方法針對二維山體情況,沒有給出三維山體情況下的數(shù)據(jù),同時各國規(guī)范[1-5]對于2個山體形成的風場均沒有進行規(guī)定.

山體風場特征的研究方法主要有現(xiàn)場實測[6]、風洞試驗[7-14]和計算流體力學(computational fluid dynamics,CFD)數(shù)值模擬[9,14-15],現(xiàn)場實測的例子很少,而CFD模擬在參數(shù)確定和模型選擇等方面尚待進一步的研究,本文采用風洞試驗方法進行研究.在以往研究中,DeBray[7]進行模擬風越過單個斜坡和陡坡的風洞試驗,給出了斜坡上下游不同高度處的風速模型；Lubitz等[8]通過風洞試驗研究風向角對二維和橢圓形底面三維山體不同位置處加速比的影響.李朝[9]針對若干種體型山體進行風洞試驗,并與CFD結果進行比較；王建明等[10]進行山地對電廠風環(huán)境影響的風洞試驗,測量山地與溝谷附近的風場；孫毅等[11]采用風洞試驗研究不同坡度和高度山體的風速；李正良等[12]進行不同遮擋山體情況三維山體的風洞試驗；姚旦等[13]針對單個三維山體風場進行風洞試驗研究.

本文以獲得單山和雙山情況下三維山體的風場特性為目的,研制風洞中用于同步測試多點風速的試驗裝置和支撐構架,進行單個山體模型的風洞試驗,分析山體坡度的影響,進行2個山體在前后和左右排列情況的風洞試驗,并分析山體距離、山體坡度的影響,研究成果可為山地風場特性和風場測試方法提供參考.需要說明的是,本文只給出山體上順風向的平均風速,不涉及脈動風速,也不涉及其他風向的風速.

1多點風速同步測試裝置的研制

風洞中風速測試采用自制的五孔探針,探針為半球形頭部,直徑5 mm,長50 mm,采用有機玻璃材料經三維雕刻機制作而成.探針校準裝置為自制的口徑200 mm的直流式開口風洞,開口試驗區(qū)布置有五孔探針的標定實驗臺,試驗臺的α和β角度調節(jié)范圍均為±24°,角度控制精度0.1°.制作了15根五孔探針,每根探針在使用前都經過校準和標定.

風速測試需要沿高度方向布置15根探針,因此需要研制多點風速測試系統(tǒng)的支撐構架.采用不銹鋼等材質研制了如圖1所示的支撐構架,該構架能在風洞中自如移動,實現(xiàn)在任意x、y和z方向的測試.多點風速測試系統(tǒng)高45 cm,分布有15個風速測點,測點高度分別為1.25 、2.5、3.75 、5 、7.5、10、12.5 、15、17.5、20、25、30、35、40、45 cm.為了驗證15根探針的標定結果,采用熱線風速儀及一維皮托管在風洞湍流場中對各探針測得的平均風速和脈動風速的測試精度進行了驗證,驗證結果表明五孔探針在平均風速的測試中具有很高的精度[14],適用于本課題的平均風速研究.

圖1　風洞中的風速測試裝置Fig.1　Wind velocity testing equipment in wind tunnel

2單個山體的風場測試結果

2.1山體的測試工況

山體高度H取100 m,山體取余弦型,滿足以下方程：

(1)

式中:z為高度方向,x、y為水平方向,D為山體底部直徑.

制作5組坡度的山體模型,模型縮尺比為1∶500,底部直徑分別為300、400、500、600、700 m,如圖2所示,平均坡度(按角度計)分別為：33.69°、26.57°、21.80°、18.43°和15.95°,進行5種坡度山體的風場測試.根據(jù)國際坡度等級,15°～35°為陡坡,本文以D=300 m為例進行重點分析,在文中稱為典型陡坡.

圖2　5種坡度的模型Fig.2　Five models with different slopes

風洞試驗在模擬B類地貌風場的風洞中進行測速試驗,地貌粗糙度系數(shù)α=0.15.依據(jù)荷載規(guī)范[1],風速剖面按指數(shù)規(guī)律變化,湍流度剖面為

Iu=I10(z/10)-α.

(2)

式中:I10為10 m高名義湍流度,對于B類取0.14.在風洞中采用尖劈和粗糙度進行風場模擬,如圖3所示為試驗風場的平均風速和湍流度剖面,圖中h為風洞高度，u為沿高度方向變化的風速，可見其與要求非常接近,滿足試驗要求.

圖3　試驗平均風速及湍流度剖面Fig.3　Profile of average wind speed and turbulent intensity

2.2典型陡坡山體的測試結果

典型陡坡山體的風速測點布置如圖4(a)所示,在考慮對稱性的前提下在山體及其尾流區(qū)布置44個測點,圖中還給出了坐標x、y和z的方向定義.進行典型陡坡山體的風場測試,獲得各測點位置平均風速沿高度的分布,如圖4(b)所示,圖中帶點的線為測試數(shù)據(jù),不帶點的線為平地上的風速數(shù)據(jù).由圖4(b)可知：1)風速加速效應最顯著位置在山頂附近；2)在山體正后方的風速變小,主要是由于山體的遮擋效應；3)山體側面山腳沿線(y=-150 m)上的風速與平地風速較接近,說明單個山體側面的風場與平地風接近,即山體對投影輪廓線以外的風場影響很小.

圖4　陡坡山體的測點布置和風速Fig.4　Measuring point arrangement and wind velocities on steep hill

典型陡坡山體順風切面方向(y=0 m)的風速如圖5所示,圖中分別給出各測點平均風速和加速比的等值線圖,加速比s定義為

s(z)=u′(z)/u(z).

(3)

式中:u′為離山體(地面)表面z高度的風速,需要說明的是,由于試驗測試裝置的原因,圖中貼近山體部分的風速(加速比)無法給出,以空白表示；本文使用的五孔探針無法準確測得反向風速,山后方下部風速設為0.文中后面各風速圖中出現(xiàn)風速為零,加速比等值線圖中出現(xiàn)空白情況,原因同此,不再贅述.

由圖5可知：1)風速在山頂處增速最大,迎風面和背風面的3/4H山體高度的風速增速也較大；2)山后方由于是尾流區(qū),風速很小,圖中的圈示意了尾流區(qū)漩渦的風速方向；3)在山后約2倍山體直徑后,風速與平地風基本一致,說明對于該典型陡坡山體,山的遮擋效應在約2倍山體直徑后消失.

圖5　順風切面的風速和加速比Fig.5　Wind velocity and speedup ratio in along-wind plane

圖6　橫風切面的風速和加速比Fig.6　Wind velocity and speedup ratio in cross-wind plane

如圖6所示為典型陡坡山體橫風切面(x=0 m)方向的風速和加速比,從圖中可以發(fā)現(xiàn)：1)橫切面上所有測點均出現(xiàn)了風速增大現(xiàn)象,該現(xiàn)象稱為“孤峰繞流效應”；2)在山頂和側風面的3/4H山體高度位置的風速差不多,直到山腳下的風速增速才不明顯；3)加速比在貼近山體位置最大,沿著高度方向遞減；4)風速增速比較大,很多值都在1.2以上,比圖5中的增速比大,說明對于單個山體,橫風切面方向的加速效應大于順風切面方向.

2.3坡度對山體風場的影響

圖7　不同坡度山頂?shù)娘L速和加速比Fig.7　Wind velocity and speedup ratio at top of hill under different slopes

進行5種坡度(見圖2)山體風場的風洞試驗,其中山頂位置的平均風速和加速比如圖7所示,h表示離地表高度(對于山頂位置即為離山頂高度).由圖7可知：1)不同坡度山體在山頂位置均出現(xiàn)了較大的加速效應；2)離山頂30 m以上,不同坡度山體的平均風速比較接近；3)離山頂0～30 m高度,不同坡度山體的平均風速開始出現(xiàn)較大的差異,坡度越大(直徑越小)加速比越大；4)坡度對于山頂30 m以上的平均風速影響較小,對于山頂為0 ～30 m平均風速的影響較大.

如圖8所示為5種坡度山體下后山腳位置的平均風速和加速比,由圖8可見：1)在離地150 m以上,不同坡度山體的平均風速都很接近平地情況,離地為0 ～150 m,不同坡度山體的平均風速均比平地情況小,為尾流區(qū)；2)尾流區(qū)范圍的高度隨著山體坡度的減少(山體直徑的增大)而降低,即隨著山體直徑的增大,尾流區(qū)相對山體的高度減小.

圖8　不同坡度后山腳的風速和加速比Fig.8　Wind velocity and speedup ratio at back bottom of hill under different slopes

32個山體前后緊密排列的測試結果

典型陡坡(D=300 m,H=100 m)雙山前后緊貼排列(間距為零)在風洞中的試驗情況如圖9所示.順風切面方向的風速和加速比如圖10所示,由圖可知：1)雙山前后排列時,前山的加速效應大于后山,而后山位于前山的尾流區(qū),因而加速效應不如前山明顯；2)在山坳位置的風速較?。?)后山的最大加速比約為1.1,加速效應不明顯.

圖9　雙山前后排列試驗照片F(xiàn)ig.9　Pictures of two hills under rear and back arrangement

圖10　前后排列順風切面的平均風速和加速比Fig.10　Wind velocity and speedup ratio in along-wind plane under rear and back arrangement

將典型陡坡雙山前后緊貼排列情況時前山、后山與單山順風切面(y=0 m)方向的風速繪于如圖11所示,由圖可知：1)總體而言,雙山前后排列時前山的風速分布與單山情況比較接近,雙山前后排列時后山的風速小于單山情況；2)對于山頂風速,雙山前后排列時的后山受前山影響很大,而前山受后山影響很小,與單山幾乎一致；3)雙山前后排列時前山和后山在山頂?shù)娘L速都超過平地情況；4)對于尾流區(qū)尺寸,雙山前后排列時前山受到后山的影響,尾流區(qū)高度有所提高,而后山受前山影響,尾流區(qū)高度明顯降低.

圖11　順風剖面的風速比較Fig.11　Wind velocity comparison in along-wind plane

將典型陡坡雙山前后緊貼排列情況時前山、后山與單山橫風切面(x=0 m)方向的風速繪于如圖12所示,由圖可知：1)山頂高度處雙山前后排列時的前山與單山情況基本一致,均大于測點處雙山前后排列時的后山情況,以上3種情況均大于平地情況；2)3/4H高度測點處的變化規(guī)律與山頂位置一致；3)1/2H高度測點處,前山、后山和單山的風速沿高度分布情況幾乎相同；4)總體而言,對于雙山前后緊貼排列的情況,后山對于前山的影響很小,前山情況幾乎等同于單山情況,但前山對于后山的影響較大.

圖12　橫風剖面的風速比較Fig.12　Wind velocity comparison in cross-wind plane

將典型陡坡雙山前后緊貼排列情況山頂處的平均風速及加速比繪于如圖13所示,由圖知：1)整體上后山山頂處的加速比單山小很多,而前山略微小于單山,在離地約180 m以上三者基本趨于一致；2)前山的存在很大程度上消除了后山的爬坡增速效應,這一影響范圍主要在離地約70 m以下范圍,該影響使得后山山頂?shù)募铀俦热啃∮?.2；3)后山對于前山山頂加速比的影響就小得多,前山加速比只比單山情況略小.

圖13　 山頂處風速和加速比的比較Fig.13　Comparison of wind velocity and speedup ratio at top of hill

圖14　順風剖面的風速比較Fig.14　Wind velocity comparison in along-wind plane

42個山體左右排列的測試結果

4.1左右緊貼排列情況

進行典型陡坡雙山左右緊貼排列(間距為0 m)情況,其順風剖面的風速如圖14所示,由圖可知：1)左右緊貼排列雙山的順風剖面的平均風速與單山情況基本一致,均在山頂位置出現(xiàn)顯著的風速放大效應；2)左右緊貼排列雙山在山頂?shù)募铀傩源笥趩紊?

左右緊貼排列雙山過雙山狹縫中心線的順風切面風速與加速比如圖15所示,由圖15可見：1)山前部分的加速比小于1,該區(qū)域為減速區(qū)；2)山后部分的加速比大于1,該區(qū)域為加速區(qū)；3)在峽谷中并沒有出現(xiàn)強烈的加速效應.

圖15　雙山狹縫中順風剖面的風速和加速比Fig.15　Wind velocity and speedup ratio on along-wind plane in middle of two hills

雙山左右排列時過兩側山體山頂?shù)臋M風切面的平均風速與單山情況的比較如圖16所示,由圖16可見：1)雙山的內山側(即峽谷)中的風速加速情況與單山的分布基本一致；2)山坳中雙山、單山和平地情況的風速比較接近,雙山和單山的風速略大.

圖16　山體山頂?shù)臋M風切面的平均風速Fig.16　Wind velocity on along-wind plane in middle of two hills

橫切面加速比等值線圖如圖17(a)所示,由圖可見：1)與單山情況相同,加速最顯著的區(qū)域為山頂,沿著山坡逐漸減??；2)雙山左右排列情況下加速效應最大位置出現(xiàn)在兩側山坡上,最大值出現(xiàn)在山頂位置,而兩山之間的風速加速效應并不顯著.

4.25種山體間距的結果

將5種間距情況的橫切面方向的風速加速比等值線繪于如圖17所示,由圖17可見：1)隨著山距的增大,山間區(qū)域的加速比逐漸減小,向1趨近；2)由于雙山之間的峽谷存在狹縫效應,導致峽谷的加速效應會強于單山的山側部位；3)當雙山間距增大結果會向單山趨近,可以預見當間距無窮大時,雙山情況將趨向單山情況.

將5種山體間距(0 、50 、100 、200 、300 m)一側山體山頂?shù)钠骄L速和加速比繪于如圖18所示,由圖18可知：1)當間距為0 m時,風速和加速比都最大；2)隨著間距增大,山頂平均風速整體減小,向單山的結果趨近,山體間距300 m的結果已經非常接近單山.

圖17　不同山體間距橫風剖面的加速比Fig.17　Speedup ratio on cross-wind plane under different hill-to-hill distance

圖18　不同山體間距下山頂處風速和加速比Fig.18　Wind velocity and speedup ratio at top of hill under different hill-to-hill distance

圖19　不同坡度山頂處風速和加速比Fig.19　Wind velocity and speedup ratio at top of hill under different slopes

4.3山體坡度的影響

取一側山頂?shù)娘L速為研究對象,計算在3種坡度下的平均風速和加速比,如圖19所示,由圖19可知：1)隨著山體坡度的減小(山體直徑的增加),山頂加速效應減弱,即D=300 m山體的加速效應最大；2)加速比最大均出現(xiàn)在底部,對于直徑300 、400 、500 m的山體,離地10 m高處的加速比,分別為1.58、1.55和1.44.

5結論

本文采用風洞試驗方法研究單山和雙山情況下的三維風場特性,得出以下結論：

(1)研制了高精度的小尺寸管式五孔風速探針和多點風速同步測試系統(tǒng)的支撐構架,在風洞中自如移動實現(xiàn)任意x、y和z坐標的測試,本文大量測試工況的數(shù)據(jù)合理性說明該測試裝置的有效性和適用性.

(2)單個山體風場的風洞研究結果表明：山體橫風切面的加速效應大于順風切面,橫風切面各位置均出現(xiàn)較大的風速增大現(xiàn)象,該現(xiàn)象為“孤峰繞流效應”,橫風切面3/4山體高度位置至山頂?shù)娘L速比較接近,均為最不利位置；山體后部尾流區(qū)的風速很小,山體前部下半山坡存在減速區(qū)；風速加速比在靠近山體表面最大,隨高度增加而減小,并逐漸趨近于1；山頂位置的最大加速比和山后部的尾流區(qū)高度隨山體坡度的增大而增大.

(3)2個典型陡坡山體前后緊密排列的研究結果表明：前山的加速效應大于后山,前山的風速與單山情況比較接近；后山受前山影響較大,前山的存在很大程度上消除了后山的爬坡增速效應,使得后山山頂?shù)募铀俦热啃∮?.2；兩山中間山坳位置的風速較小.

(4) 2個典型陡坡山體左右排列的研究結果表明：緊密排列(間距為零)時山頂?shù)募铀傩源笥趩紊角闆r,峽谷中山前整體為減速效應,山后整體為加速效應；兩山中間峽谷位置,位于峽谷側山體的加速比大于單山情況,位于非峽谷側山體的加速比與單山情況接近；山體間距增大時山體各位置加速比趨向于單山情況,山體坡度增大時山頂和山坳位置的加速比增大.

參考文獻(Reference):

[1] GB50009-2012 .建筑結構荷載規(guī)范[S]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2012:32-33．

GB50009-2012 .Load code for the design of building structures [S]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2012:32-33.

[2] AS/NZS 1170.2. Australian/New Zealand standard [S]. Sydney: AS/NZS, 2011:22-25．

[3] European Standard EN1991-1-4. Actions on structures [S]. Brussels: European Committee for Standardization, 2004:95-99．

[4] AIJ 2004 .Recommendations for loads on buildings [S]. Tokyo: Architectural Institute of Japan, 2004:11-13．

[5] ANSI/ASCE 7-10. Minimum design loads for buildings and other structures [S]. New York: ASCE, 2010:251-254．

[6] WALMSLEY J L, TAYLOR P A. Boundary-layer flow over topography: impacts of the askervein study [J]. Boundary-layer meteorological, 1996, 78:291-320．

[7] DEBRAY B G. Atmospheric shear flows over ramps and escarpments [J]. Journal of wind engineering and industrial aerodynamic, 1973, 9:1-4．

[8] LUBIZ W D, BRUCE R W. Wind-tunnel and field investigation of the effect of local wind direction on speed-up over hills [J]. Journal of wind engineering and industrial aerodynamic, 2007, 95:639-661．

[9] 李朝. 近地湍流風場的CFD模擬研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學, 2010．

LI Chao. Study on CFD simulation of turbulence wind field near ground [D]. Shenzhen: Shenzhen Graduate School, Harbin Institute of Technology, 2010.

[10] 王建明, 賈叢賢, 陳凱. 山地附近風場結構的實驗研究[J]. 試驗流體力學, 2008, 22(4):42-47．WANG Jian-ming, JIA Cong-xian, CHEN Kai. An experimental study on wind fields near hills [J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2008, 22(4):42-47．[11] 孫毅, 李正良, 黃漢杰, 等. 山地風場平均及脈動風速特性風洞試驗研究[J]. 空氣動力學學報, 2011, 29(5):593-599．

SUN Yi, LI Zheng-liang, HUANG Han-jie, et al. Experimental research on mean and fluctuating wind velocity in hilly terrain wind field [J]. Acta Aerodynamica Sinica, 2011, 29(5):593-599．

[12] 李正良, 魏奇科, 孫毅. 復雜山地風場幅值特性試驗研究[J]. 工程力學, 2012, 39(3):184-191．

LI Zheng-liang, WEI Qi-ke, SUN Yi. Experimental research on amplitude characteristics of complex hilly terrain wind field [J]. Engineering Mechanics, 2012, 39(3):184-191．

[13] 姚旦, 邢月龍, 沈國輝. 三維山體風場特性的風洞試驗研究[J]. 低溫建筑技術, 2014,192(6):70-72．

YAO Dan, XING Yue-long, SHEN Guo-hui. Wind tunnel investigation on wind field on three dimensional hill [J]. Low Temperature Architecture Technology, 2014,192(6):70-72．

[14] 姚旦. 山丘地形風場特性及對輸電塔的風荷載作用研究[D]. 浙江大學, 2014:41-78．

YAO Dan. Research on characteristics of wind field on hilly terrain and its wind load effect on lattice transmission towers [D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2014:41-78．

[15] 魏慧榮, 康順. 風電場地形繞流的CFD結果確認研究[J]. 工程熱物理學報, 2007, 28(4):577-579．

WEI Hui-rong, KANG Shun. The validate and research of CFD result about the wind flow in wind farm terrain [J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2007, 28(4):577-579．

Wind tunnel test of wind field characteristics on isolated hill and two adjacent hills

SHEN Guo-hui1, YAO Dan2, YU Shi-ce1, LOU Wen-juan1, XING Yue-long3, PAN Feng3

(1.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,ZhejiangUniversity,Hangzhou, 310058,China；2.HangzhouArchitecturalDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd,Hangzhou, 310000,China;3.ElectricPowerDesignInstituteofZhejiangProvince,Hangzhou310007,China)

Abstract:A set of experimental equipment and supporting frame were developed, which can measure the wind velocities of multiple points simultaneously in a wind tunnel,in order to study the wind field characteristics on three-dimensional hills under isolated hill and two adjacent hills condition, The wind velocities on isolated hills with different slopes were tested. The wind velocities on two adjacent hills with front-rear and left-right arrangement were also tested and the influence of hill distance and slope to the velocities were investigated. Results show that, for the isolated hill condition, the speedup effects on the cross-wind plane are more significant than those on the along-wind plane, and the most unfavorable position are ranged from three-quarter hill height to the top of the hill on the cross-wind plane. When two adjacent hills are in the front-rear arrangement with zero distance, the wind velocities on the front hill are very close to those on the isolated hill, while the wind velocities on the rear hill are much lower than those on the isolated hill. When two hills are in the left-right arrangement, the speedup effect at the top of the hill are slightly more significant than those on the isolated hill, and the speedup effect on the hill in the valley side are more significant than those on the isolated hill．

Key words:wind tunnel test; mean wind velocity; wind field test; three dimensional hill; five-hole probe

收稿日期：2015-10-17.浙江大學學報(工學版)網址： www.journals.zju.edu.cn/eng

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51178425).

作者簡介：沈國輝(1977-)，男，副教授，從事結構風工程和結構計算分析的等研究.ORCID:0000-0002-3528-4117. E-mail: ghshen@zju.edu.cn

DOI:10.3785/j.issn.1008-973X.2016.05.001

中圖分類號：TU 312.1

文獻標志碼：A

文章編號：1008-973X(2016)05-0805-08